Ett nytt företag går nu in som ledare i lågenergikampen. Ambiq Micro har använt sub-threshold-teknik för att få ner energiförbrukningen för sina nya Cortex4-baserade enkapseldatorer.

Förstaplatsen när det gäller energisnåla ARM Cortex-baserade enkapseldatorer hölls tidigare av Silicon Labs (efter köpet av norska Energy Micro). Därför var det extra intressant att tala med Mike Salas från Ambiq, eftersom han tidigare var ansvarig för processorutvecklingen hos Silicon Labs. Och han försöker inte dölja glädjen i att få knäppa sin tidigare arbetsgivare på näsan, speciellt efter sammanslagningen med Energy Micro, då Silicon Labs tidigare Cortex-produkter lades på is.

Under tröskeln
Ambiq är på många sätt det första företaget på marknaden som har ett radikalt nytt (åtminstone i större skala) sätt att angripa problemet. Företaget har arbetat länge med att göra sub-threshold-tekniken kommersiellt gångbar också i större konstruktioner, något som sannerligen inte är enkelt.

Principen är i och för sig enkel. Om spänningen för en logisk etta kan sänkas till en tredjedel minskar energiförbrukningen till en niondel. En sänkning från 1,8 V till 0,5 V ger en minskning av energiförbrukningen med en faktor tolv. Och det bästa är att tekniken inte kräver några nya avancerade tillverkningsprocesser. Vanlig ”billig” CMOS räcker.

Problemet är ”bara” att kiseltransistorer är ganska hopplösa vid så här låga spänningar. De uppför sig inte alls lika stabilt och förutsägbart som vanligt och de blir väldigt känsliga för temperaturvariationer och liknande. Att karaktärisera transistorer och logiska element som arbetar under tröskelspänningen är inte lätt.

Full-custom är för långsamt
När väl karaktäriseringen är gjord gäller det att få de logiska elementen att fungera i en normal konstruktionsmiljö baserad på logiksyntes. Det tar ju alldeles för lång tid att konstruera en modern mikroprocessor i full-custom-teknik.

Ambiq samarbetar med Cadence och har lagt ner mycket tid och arbete på att få Cadence-verktygen kompatibla med Ambiqs modeller och arbetssätt. Det behövs säkert en hel del handpåläggning för att få det hela att fungera, men i stort sett säger man sig ha ett konventionellt arbetssätt.

Aktiv besparing
Alla delar av konstruktionen är inte konverterade till sub-threshold-teknik ännu. Det gäller till exempel delar av minnen och I/O-enheter. Därför kan det vara lite svårt att veta exakt hur stor besparingen blir. Vi ser till exempel inte en besparing med en faktor tolv i aktiv förbrukning.

Ändå är kanske den minskade aktiva förbrukningen den intressantaste. Ambiqs teknik gör det möjligt att lägga in större och mera avancerade processorkärnor utan att öka energiförbrukningen nämnvärt. Det beror både på att tekniken tillåter mindre geometrier utan ökad läckström och på att grundlogiken blir ytterst energisnål.

Avancerade beräkningar behöver därför inte bli så ”dyra”, varken i kiselarea eller i energiförbrukning. På sikt får vi därför säkert se en större användning av acceleratorer för att hantera signalbehandling och grafik. Man kan också mycket väl tänka sig en ökad användning av multiprocessorteknik också i lågenergitillämpningar.

Mer beräkning
Höga beräkningsprestanda och låg energiförbrukning gör att embeddedkonstruktörer får en större frihet. En sensortillämpning behöver inte skicka iväg ”rådata”, utan kan använda mer processorkapacitet för att behandla informationen. Det blir också möjligt att presentera informationen grafiskt, utan att batteriet tar slut för snabbt. Alternativt går det att minska de aktiva perioderna ytterligare och på det sättet öka batteritiden ytterligare.

Billigast vinner
Att Ambiq har tagit lågenergitekniken till en ny nivå är väl ganska klart. Man kan också gissa att fler kommer att försöka gå samma väg, antingen med hjälp av Ambiq eller på egen hand.

Men fortfarande återstår en hel del att bevisa. Är det verkligen möjligt att nå samma tillförlitlighet med sub-threshold som med traditionell konstruktion? Och hur mycket längre tid tar konstruktions- och verifieringsarbetet?

Totalt sett följer i alla fall den nya tekniken samma ”spår” som halvledartekniken har hållit sig i så många år. Om valet står mellan en krånglig, men billig, metod och en elegant, men dyr, metod är det alltid den billiga som vinner. Allt som går att göra med vanlig CMOS i vanliga halvledarfabriker har en jättefördel jämfört med det som kräver nya investeringar. Så enkelt är det.

Filed under: Göte Fagerfjäll